JP4986009B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、ポリオレフィンなどよりなるセパレータを用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery using a separator made of polyolefin or the like.
近年の携帯電子技術のめざましい発達により、携帯電話やノートブックコンピューターなどの電子機器は高度情報化社会を支える基盤技術と認知され始めた。また、これらの電子機器の高機能化に関する研究開発が精力的に進められており、これらの電子機器の消費電力も比例して増加の一途を辿っている。その反面、これらの電子機器は長時間の駆動が求められており、駆動電源である二次電池の高エネルギー密度化が必然的に望まれてきた。 With the remarkable development of portable electronic technology in recent years, electronic devices such as mobile phones and notebook computers have begun to be recognized as fundamental technologies that support an advanced information society. In addition, research and development related to the enhancement of the functions of these electronic devices have been energetically advanced, and the power consumption of these electronic devices has been increasing proportionally. On the other hand, these electronic devices are required to be driven for a long time, and a high energy density of a secondary battery as a driving power source has been inevitably desired.
電子機器に内蔵される電池の占有体積や質量などの観点より、電池のエネルギー密度は高いほど望ましい。現在では、リチウムイオン二次電池が優れたエネルギー密度を有することから、殆どの機器に内蔵されるに至っている。 From the standpoint of the occupied volume and mass of the battery built in the electronic device, the higher the energy density of the battery, the better. At present, since lithium ion secondary batteries have an excellent energy density, they have been built into most devices.
通常、リチウムイオン二次電池では、正極にはコバルト酸リチウム、負極には炭素材料が使用されており、作動電圧が4.2Vから2.5Vの範囲で用いられている。単電池において、端子電圧を4.2Vまで上げられるのは、非水電解質材料やセパレーターなどの優れた電気化学的安定性によるところが大きい。 Usually, in lithium ion secondary batteries, lithium cobaltate is used for the positive electrode and a carbon material is used for the negative electrode, and the operating voltage is used in the range of 4.2V to 2.5V. In the unit cell, the terminal voltage can be increased to 4.2 V largely due to excellent electrochemical stability such as a non-aqueous electrolyte material or a separator.
ところで、従来の最大4.2Vで作動するリチウムイオン二次電池では、正極に用いられるコバルト酸リチウムなどの正極活物質は、その理論容量に対して6割程度の容量を活用しているに過ぎない。このため、更に充電圧を上げることにより、残存容量を活用することが原理的に可能である。実際に、充電時の電圧を4.25V以上にすることにより、高エネルギー密度化が発現することが知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、充電電圧を4.2Vを超えて設定した電池では、特に正極表面近傍における酸化雰囲気が強まる結果、正極と物理的に接触するセパレーターが酸化分解されることにより、特に高温環境下で微小ショートが起こりやすくなり、サイクル特性あるいは高温保存特性などの電池特性が低下してしまうという問題があった。 However, in a battery in which the charging voltage is set to exceed 4.2 V, the oxidizing atmosphere is particularly strong in the vicinity of the surface of the positive electrode. As a result, the separator in physical contact with the positive electrode is oxidatively decomposed. There is a problem that battery characteristics such as cycle characteristics or high-temperature storage characteristics deteriorate.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、充電電圧を4.2Vを超えて設定した場合において、サイクル特性あるいは高温保存特性などの電池特性を向上させることができる二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to improve secondary battery characteristics such as cycle characteristics or high-temperature storage characteristics when the charging voltage is set to exceed 4.2V. To provide a battery.
本発明による二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して対向配置され、一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、セパレータが、ポリオレフィン多孔質膜よりなる基材層と、この基材層の正極側の表面の少なくとも一部にコートされ、ポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドのうちの少なくとも1種よりなる表面層とを有し、表面層の厚さが0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、セパレータの厚さが5μm以上25μm以下の範囲内のものである。 In the secondary battery according to the present invention, the positive electrode and the negative electrode are arranged to face each other via a separator, and the open circuit voltage in a fully charged state per pair of the positive electrode and the negative electrode is in the range of 4.25V to 6.00V, A separator is coated on at least a part of a base material layer made of a polyolefin porous membrane and a positive electrode side surface of the base material layer, and is made of at least one of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polypropylene, and aramid. have a surface layer comprising, in a range thickness is 0.1μm or more 10μm or less of the surface layer, the thickness of the separator is within the scope of 5μm or 25μm or less.
本発明の二次電池によれば、完全充電時における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下の範囲内としたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、セパレータがポリオレフィン多孔質膜よりなる基材層の正極側の表面の少なくとも一部にポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドのうちの少なくとも1種よりなる表面層を有し、その表面層が基材層の表面にコートされていると共に、表面層の厚さが0.1μm以上10μm以下の範囲内、セパレータの厚さが5μm以上25μm以下の範囲内であるので、セパレータの電気化学的安定性を向上させることができ、微小ショートの発生を抑制することができる。よって、エネルギー密度を高くすることができると共に、サイクル特性あるいは高温保存特性などの電池特性を向上させることができる。
According to the secondary battery of the present invention, since the open circuit voltage at the time of full charge is in the range of 4.25V to 6.00V, a high energy density can be obtained. Further, the separator has a surface layer made of at least one of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polypropylene and aramid on at least a part of the surface on the positive electrode side of the base material layer made of a polyolefin porous film, Since the surface layer is coated on the surface of the base material layer, the thickness of the surface layer is in the range of 0.1 μm to 10 μm, and the thickness of the separator is in the range of 5 μm to 25 μm. Chemical stability can be improved and the occurrence of minute shorts can be suppressed. Therefore, the energy density can be increased, and battery characteristics such as cycle characteristics or high-temperature storage characteristics can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は第1の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、電極反応物質としてリチウム(Li)を用い、負極の容量が、リチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるいわゆるリチウムイオン二次電池である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、一対の帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the secondary battery according to the first embodiment. This secondary battery is a so-called lithium ion secondary battery in which lithium (Li) is used as an electrode reactant and the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium. This secondary battery is called a so-called cylindrical type, and is a winding in which a pair of strip-like
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a battery lid 14, a
巻回電極体20は、例えば、センターピン24を中心に巻回されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
The
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料の1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてグラファイトなどの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んで構成されている。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物,リチウムリン酸化物,リチウム硫化物あるいはリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましく、中でも、遷移金属元素として、コバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn)および鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものであればより好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、化1,化2あるいは化3に示した層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、化4に示したスピネル型の構造を有するリチウム複合酸化物、または化5に示したオリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩などが挙げられ、具体的には、LiNi0.50Co0.20Mn0.30O2 、Lia CoO2 (a≒1)、Lib NiO2 (b≒1)、Lic1Nic2Co1-c2O2 (c1≒1,0<c2<1)、Lid Mn2 O4 (d≒1)あるいはLie FePO4 (e≒1)などがある。 As the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, lithium-containing compounds such as lithium oxide, lithium phosphorus oxide, lithium sulfide, or an intercalation compound containing lithium are suitable. May be used in combination. In order to increase the energy density, a lithium-containing compound containing lithium, a transition metal element, and oxygen (O) is preferable. Among them, the transition metal element includes cobalt (Co), nickel, manganese (Mn), and iron. It is more preferable if it contains at least one of them. Examples of such lithium-containing compounds include lithium composite oxides having a layered rock salt structure shown in Chemical Formula 1, Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3, lithium composite oxides having a spinel structure shown in Chemical Formula 4, or of 5 and lithium complex phosphate having a structure of olivine shown are listed, and specifically, LiNi 0.50 Co 0.20 Mn 0.30 O 2, Li a CoO 2 (a ≒ 1), Li b NiO 2 (B≈1), Li c1 Ni c2 Co 1-c2 O 2 (c1≈1, 0 <c2 <1), Li d Mn 2 O 4 (d≈1), Li e FePO 4 (e≈1), etc. There is.
(化1)
Lif Mn(1-g-h) Nig M1h O(2-j) Fk
(式中、M1は、コバルト,マグネシウム(Mg),アルミニウム,ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄,銅(Cu),亜鉛(Zn),ジルコニウム(Zr),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。f,g,h,jおよびkは、0.8≦f≦1.2、0<g<0. 5、0≦h≦0. 5、g+h<1、−0. 1≦j≦0. 2、0≦k≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、fの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 1)
Li f Mn (1-gh) Ni g M1 h O (2-j) F k
(In the formula, M1 is cobalt, magnesium (Mg), aluminum, boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron, copper (Cu), zinc (Zn), zirconium ( Zr), Molybdenum (Mo), Tin (Sn), Calcium (Ca), Strontium (Sr) and Tungsten (W) are represented by at least one of f, g, h, j and k, 0.8 ≦ f ≦ 1.2, 0 <g <0.5, 0 ≦ h ≦ 0.5, g + h <1, −0.1 ≦ j ≦ 0.2, 0 ≦ k ≦ 0.1 (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of f represents a value in a fully discharged state.)
(化2)
Lim Ni(1-n) M2n O(2-p) Fq
(式中、M2は、コバルト,マンガン,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。m,n,pおよびqは、0.8≦m≦1.2、0. 005≦n≦0. 5、−0. 1≦p≦0. 2、0≦q≦0. 1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、mの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 2)
Li m Ni (1-n) M2 n O (2-p) F q
(In the formula, M2 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. m, n, p and q are within the range of 0.8 ≦ m ≦ 1.2, 0.005 ≦ n ≦ 0.5, −0.1 ≦ p ≦ 0.2, 0 ≦ q ≦ 0.1. (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of m represents a value in a fully discharged state.)
(化3)
Lir Co(1-s) M3s O(2-t) Fu
(式中、M3は、ニッケル,マンガン,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。r,s,tおよびuは、0.8≦r≦1.2、0≦s<0.5、−0.1≦t≦0.2、0≦u≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、rの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 3)
Li r Co (1-s) M3 s O (2-t) Fu
(In the formula, M3 represents at least one selected from the group consisting of nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. r, s, t, and u are values within the range of 0.8 ≦ r ≦ 1.2, 0 ≦ s <0.5, −0.1 ≦ t ≦ 0.2, and 0 ≦ u ≦ 0.1. Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of r represents the value in a fully discharged state.)
(化4)
Liv Mn2-w M4w Ox Fy
(式中、M4は、コバルト,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。v,w,xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 4)
Li v Mn 2-w M4 w O x F y
(In the formula, M4 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. v, w, x and y are values in the range of 0.9 ≦ v ≦ 1.1, 0 ≦ w ≦ 0.6, 3.7 ≦ x ≦ 4.1, 0 ≦ y ≦ 0.1. (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of v represents the value in a fully discharged state.)
(化5)
Liz M5PO4
(式中、M5は、コバルト,マンガン,鉄,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,ニオブ,銅,亜鉛,モリブデン,カルシウム,ストロンチウム,タングステンおよびジルコニウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 5)
Li z M5PO 4
(Wherein M5 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, manganese, iron, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, niobium, copper, zinc, molybdenum, calcium, strontium, tungsten and zirconium. Z is a value in the range of 0.9 ≦ z ≦ 1.1, wherein the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of z represents the value in the fully discharged state.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、これらの他にも、MnO2 ,V2 O5 ,V6 O13,NiS,MoSなどのリチウムを含まない無機化合物も挙げられる。 In addition to these, examples of the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium include inorganic compounds not containing lithium, such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS.
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、銅箔などの金属箔により構成されている。
The
負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されており、必要に応じて正極活物質層21Bと同様の結着剤を含んで構成されている。
The negative electrode active material layer 22B includes one or more negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium as the negative electrode active material, and the positive electrode
なお、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の電気化学当量が、正極21の電気化学当量よりも大きくなっており、充電の途中において負極22にリチウム金属が析出しないようになっている。
In this secondary battery, the electrochemical equivalent of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is larger than the electrochemical equivalent of the
また、この二次電池は、完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)が4.25V以上6.00V以下の範囲内になるように設計されている。よって、完全充電時における開回路電圧が4.20Vの電池よりも、同じ正極活物質であっても、単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整されている。これにより高いエネルギー密度が得られるようになっている。 In addition, this secondary battery is designed so that the open circuit voltage (that is, the battery voltage) at the time of full charge is in the range of 4.25V to 6.00V. Therefore, even if the positive electrode active material is the same as that of the battery having an open circuit voltage of 4.20 V at the time of full charge, the amount of lithium released per unit mass is increased. Accordingly, the positive electrode active material and the negative electrode active material are increased accordingly. And the amount has been adjusted. As a result, a high energy density can be obtained.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどがある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れた特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds , Carbon materials such as carbon fiber or activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and part of it is non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: Examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole. These carbon materials are preferable because the change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained by using such a material. In particular, the use with a carbon material is more preferable because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム,ホウ素,アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム,イットリウム(Y),パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of the metal element or metalloid element constituting the negative electrode material include magnesium, boron, aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin, lead (Pb), Bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium (Y), palladium (Pd), or platinum (Pt) can be used. These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン(Ti),ゲルマニウム,ビスマス,アンチモン(Sb),およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 As an alloy of tin, for example, as a second constituent element other than tin, silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium (Ti), germanium, bismuth, antimony (Sb), And those containing at least one member selected from the group consisting of chromium. As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.
スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen (O) or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2 ,V2 O5 ,V6 O13)などの酸化物、NiS,MoSなどの硫化物、あるいはLiN3 などのリチウム窒化物が挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレン,ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds or polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 ), sulfides such as NiS and MoS, and lithium nitrides such as LiN 3. Examples include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.
セパレータ23は、基材層23Aと、正極21に対向する側の面あるいは両面に設けられた表面層23Bとを有している。なお、図2では、表面層23Bは正極21に対向する側の面にのみ設けられているように表されている。
The
基材層23Aとしては、例えば、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、基材層23Aを構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。
The
表面層23Bは、ポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドからなる群のうちの少なくとも1種を含んで構成されている。これにより、化学的安定性が向上し、微小ショートの発生が抑制されるようになっている。なお、表面層23Bをポリプロピレンにより形成する場合には、基材層23Aをポリプロピレンにより形成し単層としてもよい。
The
正極21に対向する側の表面層23Bの厚みは、0.1μm以上10μm以下の範囲内が好ましい。厚みが薄いと微小ショートの発生を抑制する効果が低く、厚みが厚いとイオン伝導性が低下してしまうと共に体積容量が低下してしまうからである。
The thickness of the
セパレータ23の厚みは、5μm以上25μm以下の範囲内であることが好ましい。厚みが薄いとショートが発生することがあり、厚みが厚いとイオン伝導性が低下してしまうと共に体積容量が低下してしまうからである。また、セパレータ23の透気度は、厚み20μmに換算した値で、200秒/100cm3 以上600秒/100cm3 以下の範囲内であることが好ましい。透気度が低いとショートが発生することがあり、高いとイオン伝導性が低下してしまうからである。更に、セパレータ23の空孔率は、30%以上60%以下の範囲内であることが好ましい。空孔率が低いとイオン伝導性が低下してしまい、高いとショートが発生することがあるからである。加えて、セパレータ23の突き刺し強度は、厚み20μmに換算した値で、0.020N/cm2 以上0.061N/cm2 以下の範囲内であることが好ましい。突き刺し強度が低いとショートが発生することがあり、高いとイオン伝導性が低下してしまうからである。
The thickness of the
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒としては、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの環状の炭酸エステルを用いることができ、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンのうちの一方、特に両方を混合して用いることが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。 As the solvent, cyclic carbonates such as ethylene carbonate or propylene carbonate can be used, and it is preferable to use one of ethylene carbonate and propylene carbonate, particularly a mixture of both. This is because the cycle characteristics can be improved.
溶媒としては、また、これらの環状の炭酸エステルに加えて、炭酸ジエチル,炭酸ジメチル,炭酸エチルメチルあるいは炭酸メチルプロピルなどの鎖状の炭酸エステルを混合して用いることが好ましい。高いイオン伝導性を得ることができるからである。 As the solvent, in addition to these cyclic carbonates, it is preferable to use a mixture of chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate or methylpropyl carbonate. This is because high ionic conductivity can be obtained.
溶媒としては、更にまた、2,4−ジフルオロアニソールあるいは炭酸ビニレンを含むこと好ましい。2,4−ジフルオロアニソールは放電容量を向上させることができ、また、炭酸ビニレンはサイクル特性を向上させることができるからである。よって、これらを混合して用いれば、放電容量およびサイクル特性を向上させることができるので好ましい。 It is preferable that the solvent further contains 2,4-difluoroanisole or vinylene carbonate. This is because 2,4-difluoroanisole can improve discharge capacity, and vinylene carbonate can improve cycle characteristics. Therefore, it is preferable to use a mixture of these because the discharge capacity and cycle characteristics can be improved.
これらの他にも、溶媒としては、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシドあるいはリン酸トリメチルなどが挙げれる。 In addition to these, examples of the solvent include butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3- Dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropironitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyloxazolidinone, N, N-dimethyl Examples include imidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, dimethyl sulfoxide, and trimethyl phosphate.
なお、これらの非水溶媒の少なくとも一部の水素をフッ素で置換した化合物は、組み合わせる電極の種類によっては、電極反応の可逆性を向上させることができる場合があるので、好ましい場合もある。 A compound obtained by substituting at least a part of hydrogen in these non-aqueous solvents with fluorine may be preferable because the reversibility of the electrode reaction may be improved depending on the type of electrode to be combined.
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げれ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6 ,LiBF4 ,LiAsF6 ,LiClO4 ,LiB(C6 H5 )4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiN(SO2 CF3 )2 ,LiC(SO2 CF3 )3 ,LiAlCl4 ,LiSiF6 ,LiCl, ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム,リチウムビスオキサレートボレート,あるいはLiBrなどが挙げられる。中でも、LiPF6 は高いイオン伝導性を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。 As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, difluoro [oxolato-O, O ′] lithium borate, lithium bisoxalate borate, or LiBr. Among them, LiPF 6 is preferable because it can obtain high ion conductivity and can improve cycle characteristics.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーを作製する。次いで、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより正極活物質層21Bを形成し、正極21を形成する。
First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and the positive electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like material. A positive electrode mixture slurry is prepared. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーを作製する。次いで、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
Further, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and this negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry Is made. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode
続いて、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が形成される。
Subsequently, the
この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層21Bからリチウムイオンが放出され、電解液を介して、負極活物質層22Bに含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層22B中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。ここでは、セパレータ23が上述した構成を有しているので、化学的安定性が向上し、完全充電時における開回路電圧を高くしても、微小ショートの発生が抑制され、電池特性が改善される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode
このように本実施の形態では、完全充電時における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下の範囲内としたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、セパレータの少なくとも正極21と対向する側に、ポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドからなる群のうちの少なくとも1種よりなる層を有するようにしたので、セパレータ23の化学的安定性を向上させることができ、微小ショートの発生を抑制することができる。よって、エネルギー密度を高くすることができると共に、サイクル特性あるいは高温保存特性などの電池特性を向上させることができる。
As described above, in this embodiment, since the open circuit voltage at the time of full charge is in the range of 4.25 V to 6.00 V, a high energy density can be obtained. In addition, since the separator is provided with a layer made of at least one member selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polypropylene, and aramid on at least the side facing the
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの析出および溶解による容量成分により表される、いわゆるリチウム金属二次電池である。
(Second Embodiment)
The secondary battery according to the second embodiment of the present invention is a so-called lithium metal secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium as an electrode reactant.
この二次電池は、負極活物質層22Bの構成が異なることを除き、他は第1の実施の形態に係る二次電池と同様の構成および効果を有している。したがって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。 This secondary battery has the same configuration and effects as those of the secondary battery according to the first embodiment except that the configuration of the negative electrode active material layer 22B is different. Therefore, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding component and description of the same part is abbreviate | omitted.
負極活物質層22Bは、負極活物質であるリチウム金属により形成されており、高いエネルギー密度を得ることができるようになっている。この負極活物質層22Bは、組み立て時から既に有するように構成してもよいが、組み立て時には存在せず、充電時に析出したリチウム金属により構成するようにしてもよい。また、この負極活物質層22Bを集電体としても利用し、負極集電体22Aを削除するようにしてもよい。
The negative electrode active material layer 22B is made of lithium metal that is a negative electrode active material, and can obtain a high energy density. The negative electrode active material layer 22B may be configured to be already provided from the time of assembly, but may be configured by lithium metal which is not present at the time of assembly and is deposited during charging. The negative electrode active material layer 22B may also be used as a current collector, and the negative electrode
この二次電池は、負極22を負極集電体22Aのみ、またはリチウム金属のみ、または負極集電体22Aにリチウム金属を貼り付けて負極活物質層22Bを形成したものとしたことを除き、他は第1の実施の形態に係る二次電池と同様にして製造することができる。
This secondary battery is different from the secondary battery except that the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、電解質を介して、負極集電体22Aの表面にリチウム金属となって析出し、図2に示したように、負極活物質層22Bを形成する。放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウム金属がリチウムイオンとなって溶出し、電解質を介して正極21に吸蔵される。ここでは、セパレータ23が上述した構成を有しているので、化学的安定性が向上し、完全充電時における開回路電圧を高くしても、微小ショートの発生が抑制され、電池特性が改善される。
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものである。
(Third embodiment)
The secondary battery according to the third embodiment of the present invention includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium, which is an electrode reactant, and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and the sum thereof. It is represented by.
この二次電池は、負極活物質層の構成が異なることを除き、他は第1あるいは第2の二次電池と同様の構成および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、ここでは、図1および図2を参照し、同一の符号を用いて説明する。なお、同一部分についての詳細な説明は省略する。 This secondary battery has the same configuration and effect as the first or second secondary battery except that the configuration of the negative electrode active material layer is different, and can be manufactured in the same manner. Therefore, here, description will be made with reference to FIGS. 1 and 2 using the same reference numerals. Detailed descriptions of the same parts are omitted.
負極活物質層22Bは、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極21の充電容量よりも小さくすることにより、充電の過程において、開回路電圧(すなわち電池電圧)が過充電電圧よりも低い時点で負極22にリチウム金属が析出し始めるようになっている。従って、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料とリチウム金属との両方が負極活物質として機能し、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料はリチウム金属が析出する際の基材となっている。
For example, the negative electrode active material layer 22B has an open circuit voltage (that is, a battery voltage) in the charging process by making the charge capacity of the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium smaller than the charge capacity of the
過充電電圧というのは、電池が過充電状態になった時の開回路電圧を指し、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」(SBA G1101)に記載され定義される「完全充電」された電池の開回路電圧よりも高い電圧を指す。また換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の開回路電圧よりも高い電圧を指す。 The overcharge voltage refers to the open circuit voltage when the battery is overcharged. For example, the safety of lithium secondary batteries is one of the guidelines established by the Japan Storage Battery Industry Association (Battery Industry Association). Refers to a voltage that is higher than the open circuit voltage of a “fully charged” battery as defined and defined in the “Evaluation Criteria Guidelines” (SBA G1101). In other words, it refers to a voltage higher than the open circuit voltage after charging using the charging method, standard charging method, or recommended charging method used when determining the nominal capacity of each battery.
この二次電池は、負極22にリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を用いるという点では従来のリチウムイオン二次電池と同様であり、また、負極22にリチウム金属を析出させるという点では従来のリチウム金属二次電池と同様であるが、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料にリチウム金属を析出させるようにしたことにより、高いエネルギー密度を得ることができると共に、サイクル特性および急速充電特性を向上させることができるようになっている。
This secondary battery is the same as the conventional lithium ion secondary battery in that a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is used for the
この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して、まず、負極22に含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。更に充電を続けると、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出し始める。そののち、充電を終了するまで負極22にはリチウム金属が析出し続ける。次いで、放電を行うと、まず、負極22に析出したリチウム金属がイオンとなって溶出し、電解液を介して、正極21に吸蔵される。更に放電を続けると、負極22中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、セパレータ23が上述した構成を有しているので、化学的安定性を向上し、完全充電時における開回路電圧を高くしても、微小ショートの発生が抑制され、電池特性が改善される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the
(第4の実施の形態)
図3は、本発明の第4の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
(Fourth embodiment)
FIG. 3 shows a configuration of a secondary battery according to the fourth embodiment of the present invention. In this secondary battery, a
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図4は、図3に示した巻回電極体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極33は、正極集電体33Aの片面あるいは両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの片面あるいは両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bの側が正極活物質層33Bと対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ第1ないし第3の実施の形態で説明した正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
The
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質層36は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。電解液(すなわち溶媒および電解質塩など)の構成は、第1ないし第3の実施の形態に係る二次電池と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体,ポリテトラフルオロエチレン,ポリヘキサフルオロプロピレン,ポリエチレンオキサイド,ポリプロピレンオキサイド,ポリフォスファゼン,ポリシロキサン,ポリ酢酸ビニル,ポリビニルアルコール,ポリメタクリル酸メチル,ポリアクリル酸,ポリメタクリル酸,スチレン−ブタジエンゴム,ニトリル−ブタジエンゴム,ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、正極33および負極34のそれぞれに、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。そののち、正極集電体33Aの端部に正極リード31を溶接により取り付けると共に、負極集電体34Aの端部に負極リード32を溶接により取り付ける。次いで、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
First, a precursor solution containing a solvent, an electrolyte salt, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入する。
Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, the
電解質用組成物を注入したのち、外装部材40の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次いで、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図3に示した二次電池を組み立てる。
After injecting the electrolyte composition, the opening of the
この二次電池の作用および効果は、第1ないし第3の実施の形態に係る二次電池と同様である。 The operation and effect of the secondary battery are the same as those of the secondary battery according to the first to third embodiments.
更に、本発明の具体的な実施例について、詳細に説明する Furthermore, specific examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−4)
負極22の容量が、リチウムの吸蔵および放出による容量成分により表される電池、すなわちリチウムイオン二次電池を作製した。その際、電池は、図1に示したものとした。
(Examples 1-1 to 1-4)
A battery in which the capacity of the
まず、正極活物質を作製した。市販の硝酸ニッケル,硝酸コバルト,および硝酸マンガンを水溶液として、NiとCoとMnとのモル比率がそれぞれ0.50、0.20、0.30となるように混合したのち、十分に攪拌しながら、この混合溶液にアンモニア水を滴下して複合水酸化物を得た。この複合水酸化物と水酸化リチウムとを混合し、電気炉を用いて、900℃で10時間焼成したのち、粉砕して、正極活物質としてのリチウム複合酸化物粉末を得た。得られたリチウム複合酸化物粉末について、原子吸光分析(ASS;atomic absorption spectrometry)により分析を行ったところ、LiNi0.50Co0.20Mn0.30O2 の組成が確認された。また、レーザー回折法により粒径を測定したところ、平均粒径は13μmであった。更に、X線回折測定を行ったところ、ICDD(International Center for Diffraction Data)カードの09−0063に記載されたLiNiO2 のパターンに類似しており、LiNiO2 と同様の層状岩塩構造を形成していることが確認された。更にまた、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)により観察したところ、0.1μm〜5μmの1次粒子が凝集した球状の粒子が観察された。 First, a positive electrode active material was prepared. After mixing commercially available nickel nitrate, cobalt nitrate, and manganese nitrate as aqueous solutions so that the molar ratios of Ni, Co, and Mn are 0.50, 0.20, and 0.30, respectively, with sufficient stirring Ammonia water was added dropwise to the mixed solution to obtain a composite hydroxide. This composite hydroxide and lithium hydroxide were mixed, baked at 900 ° C. for 10 hours using an electric furnace, and then pulverized to obtain a lithium composite oxide powder as a positive electrode active material. When the obtained lithium composite oxide powder was analyzed by atomic absorption spectrometry (ASS), the composition of LiNi 0.50 Co 0.20 Mn 0.30 O 2 was confirmed. Further, when the particle diameter was measured by a laser diffraction method, the average particle diameter was 13 μm. Furthermore, when X-ray diffraction measurement was performed, it was similar to the pattern of LiNiO 2 described in 09-0063 of the ICDD (International Center for Diffraction Data) card, and a layered rock salt structure similar to LiNiO 2 was formed. It was confirmed that Furthermore, when observed with a scanning electron microscope (SEM), spherical particles in which primary particles of 0.1 μm to 5 μm aggregated were observed.
得られたLiNi0.50Co0.20Mn0.30O2 粉末と、導電剤としてグラファイトと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、LiNi0.50Co0.20Mn0.30O2 粉末:グラファイト:ポリフッ化ビニリデン=86:10:4の質量比で混合して正極合剤を調製した。続いて、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。正極21の厚みは150μmとなるようにした。そののち、正極集電体21Aの一端にアルミニウム製の正極リード25を取り付けた。
The obtained LiNi 0.50 Co 0.20 Mn 0.30 O 2 powder, graphite as a conductive agent, polyvinylidene fluoride as a binder, LiNi 0.50 Co 0.20 Mn 0.30 O 2 powder: graphite: polyvinylidene fluoride = 86: 10: A positive electrode mixture was prepared by mixing at a mass ratio of 4. Subsequently, this positive electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is uniformly applied to both surfaces of a positive electrode
また、負極活物質として、平均粒子径が30μmの球状黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、球状黒鉛粉末:ポリフッ化ビニリデン=90:10の質量比で混合して負極合剤を調製した。続いて、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとし、厚み15μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に均一に塗布し、加熱プレス成型して負極活物質層22Bを形成し負極22を作製した。負極22の厚みは160μmとなるようにした。そののち、負極集電体22Aの一端にニッケル製の負極リード26を取り付けた。なお、負極22の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるように、正極21と負極22との電気化学当量比を設計した。
Further, a negative electrode mixture is prepared by mixing spherical graphite powder having an average particle diameter of 30 μm as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride as a binder at a mass ratio of spherical graphite powder: polyvinylidene fluoride = 90: 10. Prepared. Subsequently, the anode mixture was dispersed in N- methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode mixture slurry was uniformly coated on the both surfaces of the anode
正極21および負極22をそれぞれ作製したのち、微多孔質膜のセパレータ23を用意し、負極22,セパレータ23,正極21,セパレータ23の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回し、ジェリーロール型の巻回電極体20を作製した。セパレータ23は、表1に示したように、実施例1−1では、基材の両面にそれぞれ厚みが2μmになるようにポリフッ化ビニリデンをコートしたものとし、実施例1−2では、基材の正極21に対向する側の面に厚みが7μmになるようにポリテトラフルオロエチレンをコートしたものとし、実施例1−3では、基材の両面にそれぞれ厚みが2μmになるようにポリプロピレンをコートしたものとし、実施例1−4では、基材の正極21に対向する側の面に厚みが3μmになるようにアラミドをコートしたものとした。また、基材は厚み16μmのポリエチレンとした。
After each of the
巻回電極体20を作製したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード26を電池缶11に溶接すると共に、正極リード25を安全弁機構15に溶接して、巻回電極体20をニッケルめっきした鉄製の電池缶11の内部に収納した。そののち、電池缶11の内部に電解液4.0gを減圧方式により注入した。
After producing the
電解液には、溶媒として炭酸エチレンと炭酸ジメチルと炭酸ビニレンとを、炭酸エチレン:炭酸ジメチル:炭酸ビニレン=35:60:1の質量比で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1.5mol/kgとなるように溶解させたものを用いた。 In the electrolytic solution, 1.5 mol of LiPF 6 as an electrolyte salt was mixed with a solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and vinylene carbonate were mixed in a mass ratio of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: vinylene carbonate = 35: 60: 1. What was dissolved so that it might become / kg was used.
電池缶11の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、実施例1−1〜1−4について直径14mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。 After injecting the electrolyte into the battery can 11, the battery lid 14 is caulked to the battery can 11 through the gasket 17 whose surface is coated with asphalt, whereby Examples 1-1 to 1-4 have a diameter of 14 mm. A cylindrical secondary battery having a height of 65 mm was obtained.
実施例1−1〜1−4に対する比較例1−1として、セパレータ23として、厚み16μmのポリエチレンを用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして二次電池を作製した。
As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-4, a secondary battery was obtained in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4 except that polyethylene having a thickness of 16 μm was used as the
得られた実施例1−1〜1−4および比較例1−1の二次電池について、高温保存特性およびサイクル特性を調べた。 The obtained secondary batteries of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1 were examined for high-temperature storage characteristics and cycle characteristics.
高温保存特性は、60℃に設定された恒温槽中において、1000mAの定電流で、電池電圧が4.4Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.4Vで定電圧充電を行った際の充電電流値の変動、すなわちフロート特性を求めた。結果を図5に示す。 High-temperature storage characteristics, in a constant-temperature bath set to 60 ° C., at a constant current of 1000 mA, after the battery voltage constant current charge was performed until reaching 4.4V, when subjected to constant-voltage charge at 4.4V The fluctuation of the charging current value, that is, the float characteristic was obtained. The results are shown in FIG.
サイクル特性は、まず、1000mAの定電流で電池電圧が4.40Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.40Vの定電圧で1時間定電圧充電を行い、引き続き、2000mAの定電流で電池電圧が3Vに達するまで定電流放電を行い、この充放電を繰返して1サイクル目の放電容量に対する任意のサイクルにおける放電容量維持率(任意のサイクルにおける放電容量/1サイクル目の放電容量)×100(%)として求めた。実施例1−3および比較例1−1の結果について図6に示す。 The cycle characteristics are as follows. First, constant current charging was performed at a constant current of 1000 mA until the battery voltage reached 4.40 V, then constant voltage charging was performed at a constant voltage of 4.40 V for 1 hour, and then at a constant current of 2000 mA. A constant current discharge is performed until the battery voltage reaches 3V, and this charge / discharge is repeated, and the discharge capacity maintenance rate in any cycle with respect to the discharge capacity in the first cycle (discharge capacity in any cycle / discharge capacity in the first cycle) × was determined as 100 (%). The results of Example 1-3 and Comparative Example 1-1 are shown in FIG.
図5から分かるように、ポリフッ化ビニリデン,ポリプロピレン,ポリテトラフルオロエチレンあるいはアラミドをコートしたセパレータ23を用いた実施例1−1〜1−4では、時間が経過しても充電電流の立ち上がりが観られなかったが、これらをコートしていないセパレータを用いた比較例1−1では、約70時間経過後に充電電流の立ち上がりが観られ、微小ショートが起こったことが確認された。
As can be seen from FIG. 5, in Examples 1-1 to 1-4 using the
また、図6から分かるように、ポリプロピレンをコートしたセパレータ23を用いた実施例1−3によれば、ポリプロピレンをコートしていないセパレータを用いた比較例1−1よりも、サイクルを重ねる毎の放電容量維持率の低下が小さかった。
Moreover, as can be seen from FIG. 6, according to Example 1-3 using the
すなわち、完全充電時における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内の電池において、セパレータ23の正極側の少なくとも一部をポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドからなる群のうちの少なくとも1種よりなるようにすれば、サイクル特性あるいは高温保存特性などの電池特性を向上させることができることが分かった。
That is, in a battery having an open circuit voltage in the range of 4.25 V or more and 6.00 V or less during full charge, at least a part of the positive electrode side of the
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例においては、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1A族元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、負極活物質には、上記実施の形態で説明したような負極材料を同様にして用いることができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, other Group 1A elements such as sodium (Na) or potassium (K), or magnesium or calcium (Ca), etc. The present invention can also be applied to the case of using the 2A group element, other light metals such as aluminum, lithium, or alloys thereof, and the same effects can be obtained. At that time, as the negative electrode active material, the negative electrode material described in the above embodiment can be used in the same manner.
また、上記実施の形態および実施例においては、巻回構造を有する二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型,ボタン型あるいは角型などの二次電池についても適用することができる。 In the above embodiments and examples, the secondary battery having a winding structure has been described. However, the present invention is similarly applied to a secondary battery having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are folded or stacked. be able to. In addition, the present invention can also be applied to a so-called coin type, button type, or square type secondary battery.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構,15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33…正極、21A,33A…正極集電体、21B,33B…正極活物質層、22,34…負極、22A,34A…負極集電体、22B,34B…負極活物質層、23,35…セパレータ、23A…基材層,23B…表面層,24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21, 33 ... Positive electrode, 21A, 33A ... Positive electrode current collector, 21B, 33B ... Positive electrode active material layer, 22, 34 ... Negative electrode, 22A, 34A ... Negative electrode current collector, 22B, 34B ... Negative electrode active material layer, 23, 35 ... Separator , 23A ... base material layer, 23B ... surface layer, 24 ... center pin, 25, 31 ... positive electrode lead, 26, 32 ... negative electrode lead, 36 ... electrolyte layer, 37 ... protective tape, 40 ... exterior member, 41 ... adhesive film .
Claims (5)
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、
前記セパレータは、ポリオレフィン多孔質膜よりなる基材層と、この基材層の正極側の表面の少なくとも一部にコートされ、ポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンおよびアラミドのうちの少なくとも1種よりなる表面層とを有し、
前記表面層の厚さは、0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、前記セパレータの厚さは5μm以上25μm以下の範囲内である、
二次電池。 The positive electrode and the negative electrode are arranged to face each other with a separator interposed therebetween,
The open circuit voltage in a fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode is in the range of 4.25V to 6.00V,
The separator is coated on at least a part of a base material layer made of a polyolefin porous membrane and a positive electrode side surface of the base material layer, and at least one of polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polypropylene, and aramid. possess and become more surface layer,
The thickness of the surface layer is in the range of 0.1 μm to 10 μm, and the thickness of the separator is in the range of 5 μm to 25 μm.
Secondary battery.
請求項1記載の二次電池。 Before Symbol range air permeability thickness 20μm value of 200 sec / 100 cm 3 or more 600 sec / 100 cm 3 or less in terms of the separator and a porosity in the range of 30% to 60%, a piercing strength thick It is within the range of 0.020 N / cm 2 or more and 0.061 N / cm 2 or less as a value converted to 20 μm.
The secondary battery according to claim 1.
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